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Die Erfindung betrifft ein Assistenten-Operationsmikroskop nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Stereomikroskop als Zweitbeobachtereinrichtung, die als Zusatz zu einem Hauptbeobachtermikroskop eingesetzt wird, z. B. ein sogenanntes Assistentenmikroskop als Zusatz zu einem Operationsmikroskop.
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In der Medizin, insbesondere der Ophthalmologie und Neurochirurgie, eingesetzte Operationsmikroskope sollen die Möglichkeit bieten, dass neben dem Operateur (Hauptbeobachter) auch ein Assistent (Zweitbeobachter) das gleiche Operationsfeld einsehen kann. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, ein eigenständiges Assistentenmikroskop aussen am Gehäuse eines Hauptmikroskops zu montieren. Beide Mikroskope sind in der Regel als Stereomikroskope ausgebildet und umfassen jeweils zwei vollständig getrennte Strahlengänge, durch die das Objekt aus zwei verschiedenen Richtungen betrachtet wird, so dass ein räumlicher Eindruck entsteht. Haupt- und Assistentenmikroskop haben jeweils ein Objektiv bestehend aus einer Linse oder einer Linsengruppe. Der Hauptbeobachter blickt im wesentlichen senkrecht auf das Objekt bzw. die Objektebene, die parallel zur durch das Objektiv definierten Objektivebene bzw. senkrecht zu dessen optischer Achse verläuft. Das beleuchtete Objektfeld kann somit über seine gesamte Fläche durch das Objektiv und das nachfolgende Okular scharf in das Auge des Beobachters abgebildet werden. Beim Zweitbeobachter besteht das Problem, dass das ihm zugeordnete Objektiv aus Platzgründen seitlich vom Hauptbeobachterobjektiv angeordnet werden muss. Damit dasselbe Objektfeld abgebildet werden kann, ist die Beobachtungsrichtung des Zweitbeobachters nicht normal zur Objektebene, sondern verläuft in einem Winkel von typischerweise 10–30° zur Normalen. Dies führt dazu, dass das Objektfeld zum einen nicht als Ganzes scharf abgebildet werden kann und zum anderen durch den schrägen Einblick perspektivisch verzerrt ist.
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Derartige Abbildungsfehler im Zweitbeobachterstrahlengang können durch Mikroskope vermieden werden, bei denen Haupt- und Zweitbeobachter durch dasselbe Objektiv entlang einer gemeinsamen Achse senkrecht auf das Objekt schauen. Derartige Mikroskope sind beispielsweise aus der
DE-C 43 31 635 und der
DE-C 33 33 471 bekannt. Gemäss
DE-C 43 31 635 wird das vom Objekt kommende Licht nach Passieren des gemeinsamen Objektivs mittels eines Strahlteilers auf den Haupt- und den Zweitbeobachter aufgeteilt. Der Zweitbeobachterstrahlengang wird seitlich ausgekoppelt. Beim Mikroskop gemäss
DE-C 33 33 471 erfolgt eine Aufteilung der Strahlengänge mittels einer Teilungsplatte. In beiden Fällen werden Lichtintensitätsverluste in Kauf genommen. Eine weitere Schwierigkeit bei solchen integrierten Geräten liegt in der aufwändigen Mechanik, die notwendig ist, um das Assistentenmikroskop zwischen verschiedenen Positionen (rechts bzw. links vom Hauptmikroskop) verschwenken zu können.
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Aussen am Gehäuse eines Hauptmikroskops zu montierende Assistentenmikroskope mit eigenem Objektiv stellen eine günstige und mechanisch einfach zu realisierende Alternative zu den oben erwähnten integrierten Geräten dar. Bei solchen Geräten, die etwa seit den 1980er Jahren bekannt sind, wurden die eingangs erwähnten, durch den schrägen Einblick erzeugten Bildfehler bisher in Kauf genommen. Ähnliche Probleme bestehen auch bei Mikroskopen, die aus anderen Gründen mit einem zur Objektebene geneigten Objektiv schräg auf ein Objekt schauen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lichtmikroskop zur Verfügung zu stellen, bei dem bei einem schrägen Einblick eine verbesserte Abbildungsqualität erreicht ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Assistenten-Operationsmikroskop mit den Merkmalen von Anspruch 1, Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das insbesondere als Assistentenmikroskop verwendete Lichtmikroskop umfasst wenigstens ein relativ zu einer Objektebene geneigtes Objektiv, das eine Hauptebene (Objektivebene) und eine senkrecht darauf stehende, unter einem Winkel α von grösser als 0° zur Flächennormale der Objektebene verlaufende Objektivachse definiert. Es ist beispielsweise durch eine entsprechende Halterung mit einem festen Neigungswinkel schräg zur Objektebene montiert. Im Falle des Assistentenmikroskops ist es beispielsweise aussen an einem Haupt-Operationsmikroskop bzw. an dessen Stativ in einem festen Winkel zur Beobachtungsrichtung des Hauptmikroskops angebracht.
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Das Mikroskop umfasst des weiteren wenigstens ein, bei einem Stereomikroskop zwei Okulare mit wenigstens einer Okularlinse, die eine Okularebene und eine senkrecht darauf stehende Okularachse definiert. Die Beobachtung durch den Zweitbeobachter erfolgt entlang dieser Okularachse. Aufgrund der Schrägstellung des Objektivs ist die vom Objektiv gegebenenfalls zusammen mit einem nachgeordneten optischen System (Zoomsystem, Tubuslinse(n)) erzeugte Zwischenbildebene, die vom Okular in das Auge des Beobachters abzubilden ist, relativ zur Objektivebene geneigt.
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Unter Objektiv bzw. Okular wird auch ein Objektivsystem bzw. Okularsystem mit jeweils mehreren Linsen verstanden.
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Erfindungsgemäss ist das Okular so am Gehäuse angebracht, dass die Okularachse bei der Erfindung anders als bei herkömmlichen Mikroskopen nicht parallel zur Objektivachse verläuft, sondern mit dieser einen Winkel β von grösser als 0° einschliesst. Der Winkel β ist so gewählt, dass die Okularachse im wesentlichen senkrecht auf der Zwischenbildebene steht.
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Wie an sich bekannt, kann der Strahlengang durch strahlumlenkende opto-mechanische Mittel umgelenkt sein, beispielsweise um ergonomisch bessere Arbeitsbedingungen am Mikroskop oder eine verringerte Bauhöhe zu erzielen. Die erwähnten Winkel α und β, sowie die erwähnten Achsen und Ebenen sind diejenigen im gestreckten, d. h. nicht durch opto-mechanische Elemente wie Spiegel oder Strahlteiler umgelenkten Zustand des Strahlengangs.
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Das beobachtete Bild wird durch die erfindungsgemässe Massnahme in überraschend einfacher Weise entzerrt und als Ganzes scharf sowie über den gesamten Objektbereich auch mit der vollen Tiefenschärfe abgebildet. Beim Assistentenmikroskop sieht der Zweitbeobachter abgesehen vom unterschiedlichen Blickwinkel das gleiche Bild wie der Hauptbeobachter in gleicher optischer Qualität.
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Die genaue Lage der Zwischenbildebene kann mit an sich bekannten Methoden aufgrund der Lage und optischen Eigenschaften des Objektivs und gegebenenfalls weiterer optischer Elemente, wie z. B. Tubuslinsen, Zoomsystem, berechnet werden, z. B. mittels eines Computers. Hieraus kann dann auch der Neigungswinkel β berechnet werden.
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Zur Bestimmung der Lage der Zwischenbildebene im Falle einer Linse gilt grundsätzlich die aus der Kartografie und Fotografie bekannte, auf die
AT-PS 20299 aus dem Jahr 1905 zurückgehende Scheimpflug-Bedingung für die scharfe Abbildung einer relativ zum Objektiv geneigten Objektebene. Sie besagt, dass die Bildebene zum Erreichen einer scharfen Abbildung so geneigt wird, dass deren Schnittgerade mit der bildseitigen Hauptebene der Linse im gleichen Abstand von der optischen Achse verläuft wie die Schnittgerade zwischen der der Objektebene und der objektseitigen Hauptebene. Angewendet auf ein Mikroskop ohne Tubuslinse bedeutet dies, dass sich Objekt-, Objektiv und Zwischenbildebene näherungsweise in einer Geraden schneiden. Bei einem Mikroskop mit Unendlich-Optik mit einem Objektiv einer Tubuslinse und näherungsweise parallele Strahlen dazwischen entsprechen die Ebenen des Objektivs und der Tubuslinse ungefähr den oben erwähnten Hauptebenen.
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Der Strahlengang des Mikroskops kann durch strahlumlenkende Mittel in an sich bekannter Weise aufgefaltet sein. Beispielsweise können strahlumlenkende Mittel vohanden sein, mit denen der Strahlengang innerhalb des Tubus senkrecht zur ursprünglichen Beobachtungsrichtung umgelenkt wird. Dies dient beispielsweise dazu, ein Zoomsystem und/oder weitere optische Komponenten mit senkrecht zur Objektivachse verlaufender optischer Achse platzsparend unterzubringen, wie z. B. in der
DE-B 102 55 961 beschrieben.
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Ebenso können innerhalb des Strahlengangs zwischen Tubuslinse und Okular flexible Lichtleiter angeordnet sein, um beispielsweise wie in
DE 105 03 463 beschrieben ohne Änderung des effektiven Beobachtungswinkels einen beweglichen Tubus mit einstellbarer Ausrichtung der Okulare zu erzeugen. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die Lichtleiter so angeordnet sind, dass der Beobachter senkrecht auf die geneigte Zwischenbildebene schaut.
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Weiterhin kann der Strahlengang im okularseitigen Endbereich des Tubus in an sich bekannter Weise durch Spiegel oder dergleichen umgelenkt sein. Auch hier sollte darauf geachtet werden, dass das Okular so angeordnet ist, dass seine Achse senkrecht auf der nun durch den Spiegel abgebildeten geneigten Zwischenbildebene steht.
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Der effektive Beobachtungswinkel wird durch die beschriebenen Strahlumlenkungen nicht verändert, d. h. der Beobachter schaut auch bei schräg zum Tubus abgeknicktem Okular und/oder durch das seitlich angeordnete Zoomsystem geführtem Strahlengang unverändert ”von oben” bzw. ”von der Seite” auf das Objekt bzw. auf die Zwischenbildebene. Wie oben erwähnt, sind die oben beschriebenen Winkel α und β ohne eine derartige Umlenkung durch opto-mechanische Umlenkelemente zu bestimmen.
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Beispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen gezeigt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen rein schematisch:
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1 ein Hauptmikroskop mit einem Assistentenmikroskop nach dem Stand der. Technik;
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2 ein Hauptmikroskop mit einem erfindungsgemässen Assistentenmikroskop gemäss einer ersten Erfindungsvariante;
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3 ein Hauptmikroskop mit einem erfindungsgemässen Assistentenmikroskop gemäss einer zweiten Erfindungsvariante.
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In den 1 bis 3 ist der schematische Aufbau eines Hauptmikroskops 1 mit Assistentenmikroskop 21 dargestellt. Das Assistentenmikroskop 21 ist mittels einer Halterung 17 aussen am Hauptmikroskop 1 in einem festen Winkel montiert, vorzugsweise um die Beobachtungsachse 15, 15' des Hauptmikroskops 1 verschwenkbar. Bei Haupt- und Assistentenmikroskop 1, 21 handelt sich insbesondere um als Operationsmikroskope verwendete Stereomikroskope, wobei hier nur jeweils einer der beiden stereoskopischen Strahlengänge dargestellt ist.
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In der Objektebene 10 wird durch eine hier nicht dargestellte Beleuchtungseinrichtung ein in der Regel kreisförmiges Objektfeld 10' in Auflichtbeleuchtung ausgeleuchtet. Das Licht des Objektes aus dem Objektfeld 10' wird über das Objektiv 2 des Hauptmikroskops 1 innerhalb des Binokulartubus 3 über eine Tubuslinse 30 in die Okularzwischenbildebene 6 abgebildet. Von dort wird das Zwischenbild in der Zwischenbildebene 6 über das Okular 4 mit Okularlinse 7 in das Auge 5 des Hauptbeobachters abgebildet.
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Vorliegend handelt es sich um ein Mikroskop mit Unendlich-Optik. Hierbei befindet sich die Objektebene 10 in einfacher Brennweite vom Objektiv 2, so dass von den Objektpunkten kommendes Licht den afokalen Bereich zwischen Tubuslinse 30 und Objektiv 2 als annähernd parallele Strahlenbündel durchläuft und von der Tubuslinse 30 in deren Fokalebene (Zwischenbildebene 6) abgebildet wird. Im afokalen Bereich zwischen Objektiv 2 und Tubuslinse 30 können weitere optische Elemente wie insbesondere ein Zoomsystem 32 zum Einstellen der Vergrösserung vorhanden sein.
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Die Hauptbeobachtungsrichtung 15 entspricht der Achse 15' des Objektivs 2. Sie steht senkrecht auf der Objektebene 10. Damit ist die Zwischenbildebene 6 parallel zur Hauptebene des Objektivs 2 (Objektivebene 2') und zur Hauptebene des Okulars 7 (Okularebene 7'), und das gesamte Objektfeld wird scharf in das Auge 5 des Hauptbeobachters abgebildet. Aus ergonomischen Gründen kann der Strahlengang innerhalb des Binokulartubus 3 in an sich bekannter Weise durch strahlumlenkende Mittel 8 umgelenkt sein; die Okularebene 7' ist dann senkrecht zur umgelenkten Achse 15'' orientiert. In der Zwischenbildebene 6 befindet sich in der Regel eine Okularblende, die für einen definierten Rand des beobachteten Bildes sorgt.
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Das Assistentenmikroskop 21 ist gemäss dem Stand der Technik (1) wie das Hauptmikroskop 1 aufgebaut und umfasst ebenfalls ein Objektiv 22, einen Binokulartubus 23, eine Tubuslinse 20 und ein Okular 24 mit einer Okularlinse 27. Es bildet das Licht des Objekts aus der Objektebene 10 über das Objektiv 22 über den Binokulartubus 23 in die Okularzwischenbildebene 26 ab. Von dort bildet die Okularlinse 27 des Okulars 24 das Licht in das Auge 25 des Zweitbeobachters ab. Auch hier kann zwischen Objektiv 22 und Tubuslinse 20 beispielsweise ein Zoomsystem 33 vorhanden sein.
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Wegen der seitlichen Montage am Hauptmikroskop 1, ist das Assistentenmikroskop 21 zur Objektebene 10 geneigt. Seine Beobachtungsrichtung 16 bzw. die Achse 16' des Objektivs 22 schliesst mit der Hauptbeobachtungsrichtung 15 einen Winkel α von typischerweise 10–30° ein. Damit ist wird die Objektebene 10 durch das Objektiv 22 in eine Zwischenbildebene 26 abgebildet, die nicht mehr senkrecht auf der Achse 16 bzw. 16' steht. Durch das Okular 24 wird nur die Soll-Zwischenbildebene 34, die sich etwa in einfacher Brennweite der Okularlinse 27 befindet, scharf in das Auge abgebildet. Die Abbildung in der tatsächlichen Zwischenbildebene 26 stimmt aufgrund der Schrägstellung nicht mehr mit dieser Soll-Zwischenbildebene 34 überein. Somit ist das Bild in den Randbereichen deutlich unschärfer abgebildet als für den Hauptbeobachter und zudem perspektivisch verzerrt.
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Wie in 2 dargestellt, kann dieser unerwünschte Effekt erfindungsgemäss dadurch beseitigt werden, dass die Beobachtung der Zwischenbildebene 26 mittels des Okulars 24 bzw. der Okularlinse 27 über eine Okularachse 17 erfolgt, die senkrecht auf der geneigten tatsächlichen Zwischenbildebene 26 steht. Damit wird wieder die volle Abbildungsschärfe über das gesamte Bild erzielt und dieses perspektivisch entzerrt.
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Die Lage der Zwischenbildebene und damit der Winkel β kann näherungsweise wie folgt bestimmt werden: Das Mikroskop hat eine Unendlich-Optik, bei der das vom Objektiv 22 erzeugte Bild im Unendlichen entworfen wird. Die von einem Objektpunkt in der Brennebene (Brennweite w) kommenden Strahlen verlassen das Objektiv als annähernd paralleles Bündel, das von der parallel zum Objektiv 22 ausgerichteten Tubuslinse 20 (bzw. dem Tubussystem) in dessen Brennebene (Brennweite f) zu einem reellen Bildpunkt vereinigt wird. Das Zwischenbild wird durch das Okular 24 ins Auge abgebildet. Objektiv 22 und Tubuslinse 20 des Assistentenmikroskops 21 wirken zusammen wie ein Objektiv mit endlicher Brennweite mit Hauptebenen, die näherungsweise durch die Objektivebene 22' und Tubuslinsenebene 20' gegeben sind. Die Schnittgerade S1 von Objektebene 10 und Objektivebene 22' liegt in einem Abstand x von der Achse 16. Nach der Scheimpflug-Bedingung hat die Schnittgerade S2 von der Tubuslinsenebene 20' und der geneigten Zwischenbildebene 26 den gleichen Abstand x von der Achse 16. Die Neigung der Beobachtungsachse 16 relativ zur Beobachtungsrichtung 15 des Hauptbeobachters ist durch den Winkel α gegeben, der durch die Montage des Assistentenmikroskops vorgegeben ist. Es gilt x = w/tanα = f/tanβ, also β = arctan(f/wtanα).
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Vorzugsweise hat der Binokulartubus 23 zum Einstecken von insbesondere Standard-Okularen zylinderförmige Hülsen 36, deren Zylinderachse um den Winkel β zur Objektivachse 15' geneigt ist. Damit sind die Okulare 24 beim Einsetzen in die Hülsen 36 bereits so orientiert, dass ihre Okularachse 35 die richtige Neigung aufweist, um das Zwischenbild 26 ohne Verzerrung ins Auge 25 des Zweitbeobachters abzubilden.
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Das Zwischenbild wird vorzugsweise innerhalb des Binokulartubus 23 entworfen, um möglichst wenig des aus den Randbereichen des Objektfeldes 10' kommenden Lichts abzuschneiden und damit eine möglichst vignitierungsfreie Abbildung zu erreichen.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Hierbei ist bereits die Tubuslinse 20 bzw. deren Ebene 20' um einen Winkel γ relativ zum Objektiv 22 bzw. zur Objektivebene 22' geneigt. Durch die geneigte Tubuslinse 20 wird die Achse 16 des Assistentenmikroskops 21 gegenüber dem Fall von 2 abgeknickt; die neue Achse ist mit 16'' bezeichnet. Somit wird die Lage der Zwischenbildebene 26 relativ zum Fall mit einer parallel zum Objektiv 22 ausgerichteten Tubuslinse 20 modifiziert. Die Scheimpflug-Bedingung lässt sich nun näherungsweise wie folgt formulieren: Der Abstand x der Schnittgerade S1 zwischen der Objektivebene 22' und der Objektebene 10 von der ursprünglichen optischen Achse 16 entspricht dem Abstand x der Schnittgerade S2 zwischen der geneigten Tubuslinsenebene 20' und der Zwischenbildebene 26 von der abgeknickten Achse 16''.
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Der Winkel β zwischen Okularachse 35 und ursprünglicher Achse 16, 16' ist daher kleiner als im Fall von 2. Diese Variante hat Vorteile hinsichtlich einer möglichst vignitierungsfreien Abbildung des Objektfeldes 10' durch das schräg gestellte Okular 24.
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Die gezeigten Beispiele sind analog auch bei Mikroskopen mit Endlich-Optik, d. h. ohne eine Tubuslinse, anwendbar. Sowohl bei Endlich- als auch bei Unendlich-Optik wird die Lage der tatsächlichen Zwischenbildebene 26 vorzugsweise unter Berücksichtigung aller optischer Komponenten im Strahlengang berechnet und das Okular 24 so angeordnet, dass die Okularachse 35 senkrecht zu dieser tatsächlichen Zwischenbildebene ausgerichtet ist. Bei einfachen optischen System kann die Lage der Zwischenbildebene wie in den obigen Beispielen vereinfacht dargestellt aufgrund der Scheimpflug-Bedingung auf geometrisch-optischem Weg ermittelt werden. Bei komplexeren optischen Systemen wird der Strahlengang in an sich bekannter Weise simuliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hauptmikroskop
- 2
- Objektiv des Hauptmikroskops
- 2'
- Objektivebene des Hauptmikroskops
- 3
- Binokulartubus des Hauptmikroskops
- 4
- Okular des Hauptmikroskops
- 5
- Hauptbeobachter
- 6
- Okularzwischenbildebene des Hauptmikroskops
- 7
- Okularlinse des Hauptmikroskops
- 7'
- Okularebene des Hauptmikroskops
- 8
- Umlenkelement
- 10
- Objektebene
- 15
- Achse des Hauptmikroskops
- 15'
- Objektivachse des Hauptmikroskops
- 15'
- Durch Umlenkelement abgeknickte Beobachtungsachse des Hauptmikroskops
- 16
- Achse des Assistentenmikroskops
- 16'
- Objektivachse des Assistentenmikroskops
- 16''
- durch schräggestellte Tubuslinse abgeknickte Beobachtungsachse des Assistentenmikroskops
- 17
- Halterung
- 20
- Tubuslinse des Assistentenmikroskops
- 20'
- Tubuslinsenebene des Assistentenmikroskops
- 21
- Assistentenmikroskop
- 22
- Objektiv des Assistentenmikroskops
- 22'
- Objektivebene des Assistentenmikroskops
- 23
- Binokulartubus des Assistentenmikroskops
- 24
- Okular des Assistentenmikroskops
- 25
- Zweitbeobachter
- 26
- Okularzwischenbildebene des Assistentenmikroskops
- 27
- Okularlinse des Assistentenmikroskops
- 27'
- Okularebene des Assistentenmikroskops
- 30
- Tubuslinse des Hauptmikroskops
- 32, 33
- Zoomsystem
- 34
- Soll-Zwischenbildebene
- 35
- Okularachse des Assistentenmikroskops
- 36
- Hülse
- 36'
- Hülsenachse
- S1
- Schnittgerade 22' mit 10
- S2
- Schnittgerade 20' mit 26
